Szybkość reakcji: równanie kinetyczne, energia aktywacji i katalizator
Podstawa programowa wymaga, żebyś definiował i obliczał szybkość reakcji jako zmianę stężenia reagenta w czasie, przewidywał wpływ stężenia, temperatury, katalizatora i rozdrobnienia substratów, określał rząd reakcji i pisał równanie kinetyczne na podstawie danych doświadczalnych oraz opisywał reakcje egzo- i endoenergetyczne za pomocą energii aktywacji. Tak przygotujesz się do tej części matury z chemii na poziomie rozszerzonym.
Na maturze 2023–2026: w każdej z 4 sesji, zadań: 8.
W skrócie
najważniejsze w kilku zdaniach
Szybkość reakcji to zmiana stężenia reagenta w czasie podzielona przez jego współczynnik; jednostka to mol⋅dm−3⋅s−1.
Reakcję przyspieszają: większe stężenie substratów (u gazów także ciśnienie), wyższa temperatura, rozdrobnienie ciała stałego i katalizator.
W równaniu kinetycznym v=k⋅cAx⋅cBy potęgi x i y wyznacza pomiar, a nie stechiometria.
Energia aktywacji to bariera między substratami a produktami; katalizator ją obniża, ale nie zmienia ΔH ani stanu równowagi.
Reakcja egzoenergetyczna ma ΔH<0, endoenergetyczna ΔH>0; obie mają dodatnią energię aktywacji.
Egzamin maturalny z chemii na poziomie rozszerzonym trwa 180 minut; za cały arkusz można uzyskać 60 punktów. W arkuszu jest około 45 poleceń: zadania zamknięte (wielokrotnego wyboru, prawda–fałsz, na dobieranie) i otwarte (z luką, krótkiej i rozszerzonej odpowiedzi), w tym co najmniej jedno zadanie problemowe za 4–5 punktów. Podczas egzaminu możesz korzystać z „Wybranych wzorów i stałych fizykochemicznych”, linijki i kalkulatora naukowego.
Szybkość reakcji jako zmiana stężenia w czasie
Szybkość reakcji to zmiana stężenia reagenta w jednostce czasu, podzielona przez jego współczynnik w równaniu. Dzięki temu ma jedną wartość dla całej reakcji. Dla 2NX2OX54NOX2+OX2 jest to v=−21⋅ΔtΔcNX2OX5=41⋅ΔtΔcNOX2=ΔtΔcOX2. Substrat ubywa, więc przed ułamkiem stoi minus, a produkt przybywa.
Tabela i wykres pokazują dane umowne: stężenie tlenku azotu(V) w kolejnych setkach sekund. Ubywa go coraz mniej, więc szybkość maleje razem ze stężeniem substratu. W pierwszym przedziale NX2OX5 ubywa z szybkością 1,20⋅10−3mol⋅dm−3⋅s−1, a tlenek azotu(IV) powstaje z szybkością 2,40⋅10−3, czyli czterokrotnie większą niż szybkość reakcji 6,00⋅10−4. Tlen przybywa z szybkością równą v.
Przedział czasu, s
Ubytek N₂O₅, mol · dm⁻³
Ubytek na sekundę
Szybkość reakcji v
0–100
0,120
1,20 · 10⁻³
6,00 · 10⁻⁴
100–200
0,084
8,40 · 10⁻⁴
4,20 · 10⁻⁴
200–300
0,059
5,90 · 10⁻⁴
2,95 · 10⁻⁴
Co zmienia szybkość reakcji
Reakcja zachodzi, gdy zderzają się cząsteczki o energii co najmniej równej energii aktywacji i o odpowiedniej orientacji. Większość zderzeń nie prowadzi do przemiany, bo cząsteczki mają za mało energii albo zderzają się niekorzystnie. Wszystko, co zwiększa liczbę skutecznych zderzeń w jednostce czasu, przyspiesza reakcję.
Większe stężenie substratów oznacza więcej zderzeń; u gazów to samo daje większe ciśnienie, czyli mniejsza objętość. Wyższa temperatura zwiększa udział cząsteczek o energii wystarczającej do reakcji i stałą szybkości k, co dotyczy reakcji zarówno egzoenergetycznych, jak i endoenergetycznych. Większe rozdrobnienie ciała stałego zwiększa powierzchnię, na której zachodzi reakcja. Katalizator przyspiesza reakcję, bo prowadzi ją drogą o niższej energii aktywacji, a sam nie zostaje zużyty.
Czynnik
Zmiana
Skutek dla v
Powód
stężenie, ciśnienie gazu
wzrost
rośnie
więcej zderzeń w jednostce czasu
temperatura
wzrost
rośnie
więcej cząsteczek o energii co najmniej równej Eₐ
rozdrobnienie ciała stałego
wzrost
rośnie
większa powierzchnia reakcji
katalizator
dodanie
rośnie
niższa energia aktywacji
Równanie kinetyczne i rząd reakcji
W reakcji aA + bB → produkty szybkość jest iloczynem stałej k i stężeń substratów podniesionych do potęg: v=k⋅cAx⋅cBy. Potęgi x i y to rzędy reakcji względem substratów, a ich suma to rząd całkowity. Ustala je pomiar szybkości przy zmienianych stężeniach, a nie współczynniki stechiometryczne; wyjątkiem jest reakcja przebiegająca w jednym etapie.
Tabela zawiera dane umowne dla reakcji A + 2B → C: szybkości początkowe przy różnych stężeniach. Zmieniasz jedno stężenie, drugie zostaje stałe. Podwojenie cA (doświadczenia 1 i 2) zwiększa szybkość czterokrotnie, więc x=2. Podwojenie cB (1 i 3) zwiększa ją dwukrotnie, więc y=1. Równanie ma postać v=k⋅cA2⋅cB, a rząd całkowity wynosi 3. Z doświadczenia 4 stała k=0,302⋅0,203,60⋅10−2=2,00mol−2⋅dm6⋅s−1.
Jednostka k wynika z rzędu: dla pierwszego rzędu to s−1, dla drugiego mol−1⋅dm3⋅s−1, dla trzeciego mol−2⋅dm6⋅s−1. Gdy w mieszaninie gazów zmniejszysz objętość o połowę, oba stężenia podwoją się i przy trzecim rzędzie szybkość zmieni się 23=8 razy.
Doświadczenie
c(A), mol · dm⁻³
c(B), mol · dm⁻³
v₀, mol · dm⁻³ · s⁻¹
1
0,10
0,10
2,00 · 10⁻³
2
0,20
0,10
8,00 · 10⁻³
3
0,10
0,20
4,00 · 10⁻³
4
0,30
0,20
3,60 · 10⁻²
Energia aktywacji, katalizator i profil energetyczny
Energia aktywacji Ea to najmniejsza energia, jaką muszą mieć zderzające się cząsteczki, aby doszło do reakcji. Na wykresie energii w funkcji przebiegu reakcji jest to różnica między szczytem bariery a poziomem substratów. W reakcji egzoenergetycznej produkty mają mniejszą energię niż substraty (ΔH<0), a w endoenergetycznej większą (ΔH>0). W obu energia aktywacji jest dodatnia.
Katalizator obniża energię aktywacji, bo umożliwia przebieg reakcji innym, niżej położonym szlakiem, tak jak przerywana krzywa na rysunku, z energią aktywacji Ea′. Energie substratów i produktów, czyli ΔH, pozostają takie same. Działa jednakowo na reakcję prostą i odwrotną, więc skraca czas dojścia do równowagi, lecz nie zmienia składu mieszaniny w stanie równowagi. Energia aktywacji reakcji odwrotnej to Ea−ΔH reakcji prostej.
Doświadczenie
obserwacje i wniosek
Doświadczenie z tego działu tak, jak opisuje je CKE: cel, odczynniki, obserwacje, równanie reakcji i wniosek.
Doświadczenie 1
Cel doświadczenia
Zbadanie wpływu katalizatora na szybkość rozkładu nadtlenku wodoru.
Odczynniki
wodny roztwór HX2OX2, tlenek manganu(IV), dwie probówki
Obserwacje
W probówce I, z samym roztworem, nie widać wyraźnych zmian. W probówce II, z dodatkiem tlenku manganu(IV), wydziela się gaz.
Równanie reakcji
2HX2OX22HX2O+OX2
Wniosek
Tlenek manganu(IV) przyspiesza rozkład nadtlenku wodoru: z jego dodatkiem gaz wydziela się szybko, a bez niego rozkład jest tak wolny, że nie widać jego oznak.
Doświadczenie 2
Cel doświadczenia
Zbadanie wpływu stopnia rozdrobnienia substratu na szybkość reakcji.
Odczynniki
granulowany cynk, pył cynkowy o tej samej masie, kwas solny o jednakowym stężeniu, dwie probówki
Obserwacje
W probówce z pyłem cynkowym gaz wydziela się gwałtowniej niż w probówce z granulkami cynku.
Równanie reakcji
Zn+2HX+ZnX2++HX2
Wniosek
Przy tym samym stężeniu kwasu reakcja przebiega szybciej z bardziej rozdrobnionym cynkiem, bo ma on większą powierzchnię kontaktu z roztworem.
W minimalnym zestawie doświadczeń podstawy programowej:
5.badanie wpływu różnych czynników (stężenia, ciśnienia, substratów, temperatury, obecności katalizatora i stopnia rozdrobnienia substratów) na szybkość reakcji
Pojęcia
szybkość reakcji
Zmiana stężenia reagenta w jednostce czasu, podzielona przez jego współczynnik w równaniu reakcji.
równanie kinetyczne
Zależność szybkości reakcji od stężeń substratów, np. v=k⋅cAx⋅cBy.
rząd reakcji
Wykładnik potęgi przy stężeniu danego substratu w równaniu kinetycznym; suma wykładników to rząd całkowity.
energia aktywacji
Minimalna energia, którą muszą mieć reagujące drobiny, by reakcja zaszła; jest barierą na drodze od substratów do produktów.
katalizator
Substancja, która przyspiesza reakcję, obniżając jej energię aktywacji; sama nie zostaje zużyta i nie przesuwa stanu równowagi.
reakcja egzoenergetyczna
Reakcja, w której produkty mają mniejszą energię niż substraty, czyli ΔH<0.
reakcja endoenergetyczna
Reakcja, w której produkty mają większą energię niż substraty, czyli ΔH>0.
stopień rozdrobnienia
Miara podziału ciała stałego na drobne cząstki; im większy, tym większa powierzchnia reakcji.
Zadanie z matury
źródło: CKE
Prawdziwe zadanie z arkusza CKE, słowo w słowo, z materiałem źródłowym. Rozwiąż je, zanim zajrzysz do wyjaśnienia.
Zadanie z arkusza CKEmatura
Matura 2025, chemia (poziom rozszerzony), zadanie 10.1
Zadanie 10.1. (0–1)
/1
W zamkniętym reaktorze zachodzi reakcja opisana równaniem:
XX2(g)+2YX2(g)2XYX2(g)
Zależność szybkości tej reakcji od stężenia opisuje poniższe równanie kinetyczne.
v=k⋅cX2a⋅cY2b
Aby wyznaczyć wykładniki a i b w równaniu kinetycznym, przeprowadzono serię pomiarów: w temperaturze T mierzono zależność szybkości reakcji od stężenia jednego z substratów przy stałym stężeniu drugiego. Na podstawie wyników pomiarów sporządzono poniższe wykresy zależności szybkości reakcji od:
• stężenia substratu XX2 przy stałym stężeniu cY2=1mol⋅dm−3 (linia czerwona)
• stężenia substratu YX2 przy stałym stężeniu cX2=1mol⋅dm−3 (linia zielona).Oceń prawdziwość zdań. Zaznacz P, jeśli zdanie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe.
CKE
Zmniejszenie objętości reaktora w warunkach izotermicznych, przy niezmienionej początkowej liczbie moli substratów, skutkuje wzrostem szybkości opisanej reakcji.
Wzrost temperatury w reaktorze w warunkach izobarycznych, przy niezmienionej początkowej liczbie moli substratów, skutkuje spadkiem szybkości opisanej reakcji.
Źródło: CKE, egzamin maturalny 2025, chemia, poziom rozszerzony (arkusz MCHP-R0-100-2505), zadanie 10.1. Rozwiązanie — według zasad oceniania CKE. · Arkusz na stronie CKE
Odpowiedź według klucza CKE:PF
Wyjaśnienie od Kleksy
Oba zdania dotyczą wpływu zmiany warunków na szybkość reakcji zapisanej równaniem kinetycznym. Wykresy pokazują, że szybkość rośnie ze stężeniem każdego z substratów.
Zdanie 1. jest prawdziwe: przy niezmienionej liczbie moli i temperaturze zmniejszenie objętości reaktora zwiększa stężenia obu gazów, więc szybkość rośnie. Zdanie 2. jest fałszywe: ogrzewanie zwiększa stałą szybkości k. Przy stałym ciśnieniu gazy się rozszerzają i ich stężenia nieco maleją, ale k rośnie znacznie silniej, więc szybkość rośnie, a nie spada.
Według zasad oceniania CKE: 1 punkt za poprawną ocenę obu zdań.
Odpowiedź: 1 – P, 2 – F
Zadanie z arkusza CKEmatura
Matura 2024, chemia (poziom rozszerzony), zadanie 6.2
Zadanie 6.2. (0–1)
/1
Nadtlenek wodoru jest to substancja nietrwała, którą należy przechowywać w zimnym i ciemnym miejscu, gdyż w innych warunkach ulega powolnemu rozkładowi. Postęp rozkładu nadtlenku wodoru można badać np. za pomocą techniki miareczkowania.
W termostatowanym naczyniu umieszczono roztwór HX2OX2 o pewnym stężeniu, który utrzymywano w temperaturze 40∘C. W równych odstępach czasowych z tego roztworu pobierano próbki, które schładzano i miareczkowano za pomocą zakwaszonego roztworu manganianu(VII) potasu o stężeniu 0,0020mol⋅dm−3. Podczas miareczkowania zachodziła reakcja opisana równaniem:
2KMnOX4+5HX2OX2+3HX2SOX42MnSOX4+5OX2+KX2SOX4+8HX2O
Wyznaczenie objętości zużytego roztworu KMnOX4 pozwoliło obliczyć stężenie molowe HX2OX2 w próbce.
Objętość każdej pobieranej próbki była równa 2,0cm3. Uzyskane wyniki przedstawiono w tabeli.
Czas, minuty
0
10
20
30
Objętość KMnOX4,cm3
19,1
14,2
9,9
6,2
Uzupełnij zdania. Wybierz i zaznacz jedną odpowiedź spośród podanych w każdym nawiasie.
Szybkość reakcji rozkładu nadtlenku wodoru wraz z upływem czasu .
Szybkość reakcji rozkładu nadtlenku wodoru w temperaturze 40∘C jest w temperaturze 20∘C.
Źródło: CKE, egzamin maturalny 2024, chemia, poziom rozszerzony (arkusz MCHP-R0-100-2405), zadanie 6.2. Rozwiązanie — według zasad oceniania CKE. · Arkusz na stronie CKE
Odpowiedź według klucza CKE:BA
Wyjaśnienie od Kleksy
Odczytaj z tabeli, ile roztworu manganianu(VII) potasu zużyto w kolejnych próbkach: objętość spada z 19,1 do 6,2 cm3, więc stężenie nadtlenku wodoru maleje. W kolejnych dziesięciu minutach ubywa go coraz mniej, bo różnice objętości wynoszą 4,9, 4,3 i 3,7 cm3. Szybkość rozkładu maleje z czasem, więc odpowiedź „rośnie” i „nie ulega zmianie” odpadają.
Druga luka dotyczy temperatury. Wyższa temperatura zwiększa udział cząsteczek o energii wystarczającej do reakcji, więc w 40∘C rozkład jest szybszy niż w 20∘C. Odpowiedzi „mniejsza niż” i „taka sama jak” są błędne.
Według zasad oceniania CKE: 1 punkt za poprawny wybór w obu nawiasach.
Odpowiedź: 1 – B, 2 – A
Sprawdź się
sprawdzisz od razu
Zaznacz lub wpisz odpowiedź i sprawdź ją od razu: pod zadaniem zobaczysz wyjaśnienie. Jak ocenia CKE: w zadaniu obliczeniowym liczy się metoda, wynik z jednostką i poprawne zaokrąglenie — zwykle do trzech cyfr znaczących. Równanie reakcji musi być zapisane w formie, o którą prosi polecenie (cząsteczkowej, jonowej albo jonowej skróconej), z poprawnymi współczynnikami.
zadanie Kleksy
Zadanie 1. (0–1)
/1
Dokończ zdanie. Wybierz właściwą odpowiedź spośród podanych.
Szybkość reakcji A + 2B → C opisuje równanie v=k⋅cA⋅cB2. Gdy trzykrotnie zmniejszono objętość mieszaniny gazów w stałej temperaturze, szybkość reakcji zwiększyła się
Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.
zadanie Kleksy
Zadanie 2. (0–1)
/1
O szybkości reakcji i katalizatorze:
Oceń prawdziwość zdań. Wybierz P, jeśli zdanie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe.
katalizator zmienia entalpię reakcji, bo obniża energię jej produktów.
wzrost temperatury zwiększa szybkość zarówno reakcji egzoenergetycznej, jak i endoenergetycznej.
Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.
zadanie Kleksy
Zadanie 3. (0–1)
/1
Przyporządkuj zabiegowi wyjaśnienie wzrostu szybkości reakcji. Wybierz odpowiedź spośród A–D.
Wyjaśnienie
Awiększa powierzchnia kontaktu substratów
Bobniżenie bariery energetycznej innym mechanizmem
Cwiększy udział cząsteczek o energii wystarczającej do reakcji
Dwyższe stężenie substratu
Zabieg
1. ogrzanie roztworu z 20 °C do 40 °C
2. sproszkowanie marmuru zamiast użycia kawałków w reakcji z kwasem
3. dodanie enzymu katalazy do roztworu nadtlenku wodoru
Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.
zadanie Kleksy
Zadanie 4. (0–1)
/1
Dokończ zdanie. Wybierz odpowiedź A albo B oraz odpowiedź 1. albo 2.
W reakcji endoenergetycznej entalpia reakcji jest , a energia aktywacji reakcji odwrotnej jest energii aktywacji reakcji prostej.
Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.
Przepisanie potęg ze współczynników równania tam, gdzie zadanie dostarcza pomiarów. Rzędy ustalasz wtedy, porównując szybkości przy różnych stężeniach.
Przekonanie, że katalizator zmienia ΔH albo przesuwa równowagę. Obniża energię aktywacji obu kierunków i tylko skraca czas dojścia do równowagi.
Uznanie, że wzrost temperatury przyspiesza tylko reakcje endoenergetyczne. Przyspiesza każdą reakcję, bo zwiększa udział cząsteczek o energii wystarczającej do reakcji.
Pominięcie współczynnika w definicji szybkości reakcji. Szybkość powstawania produktu bywa wielokrotnością szybkości reakcji, jak 2,40⋅10−3 wobec 6,00⋅10−4 dla NOX2.
Mylenie szybkości reakcji ze stałą szybkości. Stała k zależy od temperatury i katalizatora, ale nie od stężeń.
Zapamiętaj
v=−a1ΔtΔcA dla substratu, v=p1ΔtΔcP dla produktu.
Rzędy reakcji wyznaczasz z doświadczenia: podwojenie stężenia i porównanie szybkości.
Gazy: dwukrotnie mniejsza objętość to dwukrotnie większe stężenia.
Katalizator obniża Ea, nie zmienia ΔH i nie przesuwa równowagi.
Ea reakcji odwrotnej to Ea−ΔH reakcji prostej.
Pytania i odpowiedzi
1.Czym różni się szybkość reakcji od stałej szybkości?+
Odp.:Szybkość reakcji v zmienia się w czasie, bo maleją stężenia substratów. Stała szybkości k jest współczynnikiem w równaniu kinetycznym i przy stałej temperaturze nie zależy od stężeń, a rośnie z temperaturą i w obecności katalizatora. W doświadczeniu z tabeli k=2,00mol−2⋅dm6⋅s−1 jest taka sama dla wszystkich czterech serii.
2.Czy wykładniki w równaniu kinetycznym biorą się ze współczynników równania?+
Odp.:Nie zawsze. Zgadzają się ze współczynnikami tylko w reakcji elementarnej, czyli przebiegającej w jednym etapie. Dla reakcji wieloetapowych rzędy trzeba wyznaczyć doświadczalnie, bo o szybkości decyduje najwolniejszy etap. Dlatego w zadaniach z danymi liczbowymi liczy się tabela albo wykres, a nie równanie reakcji.
3.Jak wyznaczyć rząd reakcji z danych liczbowych?+
Odp.:Porównaj dwa doświadczenia, w których zmienia się tylko stężenie jednego substratu. Jeśli podwojenie stężenia podwaja szybkość, rząd wynosi 1; jeśli zwiększa ją czterokrotnie, rząd wynosi 2; jeśli nie zmienia szybkości, rząd wynosi 0. Powtórz to dla drugiego substratu, a potem podstaw dane do równania i oblicz k.
4.Dlaczego szybkość reakcji maleje w czasie?+
Odp.:Substraty są zużywane, więc ich stężenia maleją, a z nimi liczba zderzeń prowadzących do reakcji. W przykładzie z pierwszego bloku w kolejnych przedziałach ubywa 0,120,0,084 i 0,059mol⋅dm−3 substratu, choć każdy przedział trwa tyle samo. Dlatego krzywa stężenia opada coraz łagodniej.
5.Jakie są jednostki stałej szybkości?+
Odp.:Zależą od rzędu całkowitego n i są równe mol1−n⋅dm3(n−1)⋅s−1. Dla pierwszego rzędu to s−1, dla drugiego mol−1⋅dm3⋅s−1, a dla trzeciego mol−2⋅dm6⋅s−1. Jednostkę najłatwiej wyprowadzić, dzieląc jednostkę szybkości przez iloczyn jednostek stężeń z równania.
6.Jak zmiana ciśnienia wpływa na szybkość reakcji?+
Odp.:Zmiana ciśnienia ma znaczenie dla gazów, bo zmienia ich stężenia: gdy zmniejszasz objętość, stężenia rosną odwrotnie proporcjonalnie do objętości, a szybkość zależy od nich zgodnie z równaniem kinetycznym. Dla reakcji, w której biorą udział same ciecze i ciała stałe, ciśnienie praktycznie nie ma znaczenia.
Serwis nie jest związany z Centralną Komisją Egzaminacyjną. Zadania oznaczone „CKE” pochodzą z arkuszy CKE; objaśnienia do nich i pozostałe zadania na stronie napisaliśmy sami.
Rozwiąż za darmo cały arkusz CKE z matury z chemii (poziom rozszerzony) z maja 2026 roku – 180 minut, jak na egzaminie. Po oddaniu zobaczysz wynik i to, w którym dziale tracisz punkty.